實驗二高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測量

實驗二 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨 界電 流的測量 “超導(dǎo)態(tài)”，該現(xiàn)象稱為 “超導(dǎo)電性”．又 如 現(xiàn) 在廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體，其基本特性的揭 示 是 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 和電阻 - 溫度關(guān)系的研究分不開的．而在 低 溫 測量中廣泛應(yīng)用的電阻溫度計，完全是 建 立 在對各種類型材料的電阻 - 溫度關(guān)系研究的基礎(chǔ)上的． 實驗?zāi)康? １ . 掌握超導(dǎo)材料臨界溫度和臨界電流測試原理和方法． 2. 測量反映高溫超導(dǎo)體基本特性． 3. 利用電磁測量的基本手段來研究高溫超導(dǎo)體． 儀器和用具 低溫裝置（包括真空玻璃杜瓦和測試探頭） ，數(shù)字電壓表 2 臺（分別為 4 1 和5 1 2 2 位的數(shù)字電壓表） ，鉑電阻溫度計或銅 - 康銅溫差電偶，恒流源（ 100mA，100Ω）， 直流穩(wěn)壓電源與標(biāo)準(zhǔn)電阻（ 10Ω、 1Ω），高溫超導(dǎo)樣品，銦絲，銀引線（或細(xì)漆 包線），液氮，直流放大器． 實驗原理 １ . 超導(dǎo)體的基本特性——零電阻 現(xiàn)象和 邁斯納效應(yīng) 超導(dǎo)材料有兩個不同于其他材料 的最基 本特性，即零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性 （也稱 0 邁斯納效應(yīng)）．零電阻現(xiàn)象是指具有超導(dǎo)電性的材料，當(dāng)溫度下降時，其電阻隨溫 度下降發(fā)生緩慢的變化（一種是金屬性的材料，其電阻緩慢下降；一種是顯示半 導(dǎo)體性，其電阻緩慢升高） ，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一溫度時，其電阻在很窄的溫區(qū)內(nèi)，從 Rn 急劇地變?yōu)榱悖瑢?dǎo)體呈現(xiàn)零電阻現(xiàn)象．為描述電阻陡降的突變過程，可以定義 如下幾個特征溫度：起始轉(zhuǎn)變溫度 T起始 是指電阻隨溫度的變化偏離線性的溫度； 臨界溫度 TC 是指電阻值下降到 Rn / 2 時所對應(yīng)的溫度，零電阻溫度 TR 0 為電阻剛 降至零時對應(yīng)的溫度，而把電阻變化 1/10 到 9/10 所對應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變 寬度 T 式中 0 為真空磁導(dǎo)率， r 為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率， xm 為磁化率． 當(dāng)發(fā)生正常態(tài)到超 導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變時， r 由 1 變到零，或者說磁化率由近于零變到 -1 ，從而使超導(dǎo)體內(nèi) 部 B=0．如果把超導(dǎo)體材料作成線圈的芯子， 則線圈自感 L 和介質(zhì)的磁導(dǎo)率的關(guān)系如下： 式中 n 為線圈單位長度的匝數(shù)， V 為線圈的體積， 可見當(dāng)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時， 磁導(dǎo)率 r 發(fā)生變化，線圈的電感量也變化．利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時，線圈電感量變化來測量臨界溫度的方法，稱為電感法． １ . 臨界電流 當(dāng)通過超導(dǎo)線的電流超過一定的數(shù)值后，超導(dǎo)態(tài)便被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，該 電流 I c 稱為超導(dǎo)體的臨界電流． 當(dāng)電流超過 一 定 值后，所以能引起超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)化， 其 根 本原因是由于電流所產(chǎn)生的磁場 （自場）超 過臨 界磁場引起的．各超導(dǎo)體臨界電流的大小，除和超導(dǎo)材料組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)外，對 同一種超導(dǎo)材料而言，與其截面積的大小和形狀有關(guān)． ２ . 測量方法及參考方案 [ 3] 所附分度值表． 如用銅 - 康銅溫差電偶， 則必須利用鉑電阻溫度計在所使用的 溫區(qū)（即 77K~室溫）對銅 - 康 銅 溫 差電偶進(jìn)行定標(biāo)．通過樣品的 恒流源 在毫安量級． 直流放 大器Ⅰ 恒溫器 本實驗所用的高溫超導(dǎo)樣 直流放 記錄儀 大器Ⅰ 采用燒結(jié)工藝制備的多晶超導(dǎo) 直流放 大器Ⅱ 料，其結(jié)構(gòu)式為 Yba2 Cu3O7- δ ， 冰點槽 直流放 大器Ⅱ δ為與超導(dǎo)樣品氧含量有關(guān)的 樣品的轉(zhuǎn)變溫度約為 92K 左 TC 裝置的示意圖 于該樣品無法用焊接法直接引出引線，四引線發(fā)的四根引線是用銦絲將細(xì)銀絲粘壓在高溫超導(dǎo)樣品表面，然后再焊在接線片上．所有引線均由德銀管引出與德銀管上端的接線插座相連，并由接頭接到 2 測量電路． 若采用磁測量法測轉(zhuǎn)變溫度，可參閱 1 本實驗后所附參考文獻(xiàn)，自己組裝測量 和調(diào)試測量裝置．在科研工作中，由于 8 3 4 研究工作的需要，往往要根據(jù)或參考別 7 5 6 人的文獻(xiàn)，并根據(jù)自己所需解決的問題  電 流 品 是 塊 材 式 中 系數(shù)， 右，由 和儀器設(shè)備條件，加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，實 1. 真空玻璃杜瓦； 2. 德銀管； 3. 外套筒； 4. 超導(dǎo)樣品； 5. 恒溫紫銅塊； 6. 液氮； 7. 鉑電阻溫度計； 8. 接線片 . 現(xiàn)測量，這也是科研能力的訓(xùn)練． 在以上測試中由于要用到低溫容器與液氮，使用中必須注意遵守下列安全規(guī) 則： １ . 所有盛放在低溫液氮的容器都必須留有供蒸發(fā)氣體逸出的孔道，以免容器內(nèi)壓力過大引起事故． ２ . 液氮灌入玻璃杜瓦時，應(yīng)緩慢灌入，避免驟冷引起杜瓦的破裂．灌注液氮采用專用液氮灌注器． ３ . 實驗中注意不要讓液氮觸及裸露的皮膚特別是眼睛，以免造成嚴(yán)重的凍傷． ４ . 使用液氮時， 室內(nèi)應(yīng)保持空氣通暢， 防止液氮的大量蒸發(fā)造成室內(nèi)缺氧． 因為氧含量低于 14%~15%，會引起人的昏厥． 實驗內(nèi)容 1. 高溫超導(dǎo)樣品的準(zhǔn)備 本實驗提供的高溫超導(dǎo)樣品，是用一般陶瓷燒結(jié)工藝制備的，先按照 1：2：3 的理想配比，將氧化釔、氧化銅和碳酸鋇的分析純粉末混合，然后經(jīng)過研磨、預(yù) 燒、壓片和燒結(jié)等工藝制成直徑為 12mm、厚度為 1mm的超導(dǎo)圓片，結(jié)構(gòu)式為 Yba2 Cu3O7- δ ．經(jīng)切割后成為 2mm× 1mm截面的條形試樣．粘壓引線的方法如下：把 從銦絲上切割下的銦粒新鮮面用削尖的竹簡壓貼在試樣的表面，銀引線的一端置 于壓貼好的新鮮銦面上，上端再用新鮮的銦粒面壓貼固定，這樣可形成良好的歐 姆接觸．可用萬用表檢查接點是否良好． 2. 用四引線法測量高溫超導(dǎo)樣品的臨界溫度， 求出幾個特征溫度． 根據(jù)提供的測試儀器和設(shè)備，決定測量方案和測試線路，選擇測量參數(shù)和操作步驟，完成測 量． 3. 測量所提供樣品的臨界電流，計算臨界電流密度． 4. 參閱參考文獻(xiàn)，用磁測量法測量臨界溫度， 同學(xué)也可根據(jù)邁斯納效應(yīng)的特點， 設(shè)計其他觀察研究邁斯納效應(yīng)的實驗方法． 參考文獻(xiàn) [1] 章立源等．超導(dǎo)物理．北京：電子工業(yè)出版社， 1987.8 [2] 賈起民，鄭永令．電磁學(xué) 下冊．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社， 1987.182 —— 190 [3] 戴樂山．溫度計量．北京 ： 中國計量出版社， 1987.182 —— 190 [4] 呂斯驊，朱印康．近代物理實驗技術(shù)．北京：高等教育出版社，1991.240 [5] 俞永勤等．頻率法在高溫超導(dǎo)體中的應(yīng)用．低溫與超導(dǎo)，1989， 17（ 4）： 39—— 42